CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT RĂNG CỦA BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI BẰNG PHAY LĂN RĂNG
1.2 Dao phay lăn răng
1.2.3 Mòn dao phay lăn răng
Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần và sau một khoảng thời gian dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn [36]. Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công.
1.2.3.1 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt
Các nghiên cứu của Shaw [37] đã cho thấy mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, oxy hóa và mỏi. Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt tuy nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài ra dụng cụ còn bị phá hủy do bị mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo. Theo Loffer trong cắt kim loại, nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của cơ chế mòn và phá hủy dụng cụ. Trong dải vận tốc cắt thấp và trung bình của quá trình cắt liên tục, cũng
như cắt gián đoạn cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu thế. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa lý trở nên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và chủ yếu gây ra mòn mặt trước. Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến sự vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục.
Mòn do dính
Các nghiên cứu của Boothroyd [39] và Loladze [38] đã cho thấy mòn do dính sẽ phát triển mạnh đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao. Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm trí trong khoảng thời gian cắt ngắn. Hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi. Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của lớp bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó với vật liệu gia công. Cường độ dính được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính ka, là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ xác định. Với đa số các cặp vật liệu thì ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 9000C-13000C. Nghiên cứu của Loladze [38] kết luận rằng độ cứng của mặt dao đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính.
Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần. Nghiên cứu của Trent [28] đã chỉ ra rằng vật liệu dụng cụ thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước trong khoảng nhiệt độ tới 9000C. Khi mặt dưới của phoi dính chặt vào mặt trước, thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng cũng đủ để gây ra sự trượt của các lớp vật liệu dụng cụ và gây ra mòn do dính. Điều này cũng phù hợp với quan điểm của Loladze [32] cho rằng mức độ biến cứng của các lớp dưới của phoi thép các bon khi biến dạng dẻo với tốc độ cao ít phụ thuộc vào nhiệt độ.
Mòn do hạt mài
Cơ chế mòn dụng cụ cắt do hạt mài được Loladze nghiên cứu và chỉ ra rằng dạng mòn này có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt cacbit của vật liệu dụng cụ trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề mặt dụng cụ [32]. Môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài, ví dụ khi gia công cắt trong môi trường có tính hóa học mạnh, lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn. Loladze cũng cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài tỷ lệ thuận với các tính chất đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc.
Tuy nhiên, Trent lại cho rằng các hạt mài riêng rẽ không đóng vai trò quan trọng đối với mòn dụng cụ. Theo ông thì các hạt cabides trong thép gió bị suy yếu do hiện tượng khuyếch tán bị tách ra và kéo trên bề mặt tạo nên các rãnh mòn. Đồng thời, Theo ông khi phoi trượt trên mặt trước của dụng cụ thì mòn do mài sẽ có chiếm ưu thế.
Mòn do khuếch tán
Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa VLDC và VLGC. Colwell [41] đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 9300C khi cắt bằng dụng cụ carbides có liên quan đến một cơ chế khác đó là hiện tượng
mòn do khuếch tán, oxy hóa hoặc sự phân rã hóa học của VLDC ở các lớp bề mặt. Theo Brierley và Siekman [42] hiện nay mòn do khuếch tán được chấp nhận rộng rãi như một hiện tượng mòn quan trọng ở tốc độ cắt cao. Họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dưới của phoi thép cắt bằng dụng cụ carbide chứa nhiều các bon hơn so với phôi. Điều đó chứng tỏ rằng các bon từ cacbit volfram đã hợp kim hóa hoặc khuếch tán vào phoi làm cho tăng thành phần các bon của các lớp này. Min và Youzhen [43] đã phát hiện hiện tượng khuếch tán khi phay hợp kim titan bằng dao phay cacbide ở vận tốc cắt 200m/p. Họ đã quan sát một lớp giàu cacbon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và VLGC. Dưới bề mặt của dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu các bon. Trent [28]
cho rằng do dính (seisure), hiện tượng khuếch tán xảy ra qua mặt tiếp xúc chung của dụng cụ và VLGC là hoàn toàn có khả năng. Dụng cụ bị mòn do các nguyên tử các bon và hợp kim khuếch tán vào phoi và bị cuốn đi. Khuếch tán là một dạng của ăn mòn hóa học trên bề mặt dụng cụ có phụ thuộc vào tính linh động của các nguyên tố liên quan. Tốc độ mòn do khuếch tán không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cao mà còn phụ thuộc vào tốc độ của dòng vật liệu gần bề mặt dụng cụ có tác dụng cuốn các nguyên tử vật liệu dụng cụ đi.
Ekemar cho rằng khi cắt thép và gang tương tác giữa VLGC và VLDC có thể xảy ra.
Thành phần chính của các lớp phoi tiếp xúc với dụng cụ là austenite với thành phần cacsbon thấp khi nhiệt độ vùng tiếp xúc đủ cao. Austenite với một số nguyên tố hợp kim của dụng cụ trong quá trình cắt.
1.1.4.3 Dạng mòn và đánh giá mòn dao phay lăn răng
Mòn răng cắt dao phay là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới giá thành trong quá trình phay lăn răng [44]-[48]. Hơn nữa mòn răng cắt ảnh hưởng lớn đến khả năng cắt gọt và làm giảm độ chính xác của bề mặt răng khi phay lăn răng. Tuy nhiên, mòn dao phay lăn răng là một vấn đề khá phức tạp, không chỉ phụ thuộc vào vật liệu dao, vật liệu gia công mà còn phụ thuộc lớn vào chế độ cắt và chế độ bôi trơn làm nguội. Những nghiên cứu trước đây đã cho thấy có hai dạng mòn chính xảy ra trên răng cắt của dao phay lăn răng.
Đầu tiên là vết mòn trên mặt trước, dạng mòn này thường xảy ra với dụng cụ cắt bằng thép gió và đặc trưng bởi chiều sâu và bề rộng của vết mòn, như Hình 1. 10.
Hình 1. 10 Các dạng mòn lưỡi cắt dao phay lăn răng
Kisaburon Nagano và Masato Ainoura (1990) đã nghiên cứu mòn mặt trước dao phay lăn răng, nghiên cứu đã chỉ ra mòn mặt trước dao có phủ TiN diễn ra chậm và chỉ ảnh hưởng lớn khi dao đã bị mài [44]. Dạng mòn thứ hai chính là mòn mặt sau của lưỡi cắt, được đặc trưng bởi chiều rộng vết mòn và cũng là yếu tố quyết định thời điểm mài lại dao phay lăn răng. Và dạng mòn này phát triển nhanh hơn mòn trên mặt trước của dao. Yoji Umezaki và đồng nghiệp đã nghiên cứu về mòn mặt sau dao phay lăn răng. Lượng mòn mặt sau lớn nhất xuất hiện ở đỉnh của răng cắt [45]. Mòn mặt sau ở đỉnh của răng cắt không gây ra sai số profile răng cắt của dao, tuy nhiên làm cho lưỡi cắt giảm khả năng cắt và gây ra rung động lớn trong quá trình cắt.